1980-ban született a Pennsylvania állambeli Milfordban. Apja pilóta volt, anyja zongorista és iskolai zenetanár.[3] Két fiatalabb testvére van: nővére, Gwen, és bátyja, Edmund.[4][5] Anyai ágon zsidó származású.[6] Már fiatal korában érdekelte a zene. Két éves korában ellátogatott Disneylandbe és amikor hazaért, eljátszotta zongorán az "It's a Small World" című dalt. Anyja ekkor elkezdte tanítani.[7][8] Ebben a korszakban ismerkedett meg a klasszikus zenével, és megszállottja lett a balettnak.[9] 1994-ben csatlakozott az Amerikai Balett Iskolához (School of American Ballet),[9] érettségi után pedig énekelni kezdett kis éjszakai bárokban. 2001-ben lemezszerződést kötött az A&M Records-szal.[9]
Carlton ezt követően találkozott Peter Zizzo producerrel, aki meghívta Vanessát a stúdióba, hogy rögzítsen egy demót.[10] A demó után megjelent első nagylemeze 2002-ben. Azóta még öt albumot adott ki.
Tinédzser korában anorexiás volt, ezért terápiára kezdett járni és sikeresen kigyógyult az anorexiából.[11]
Vanessa Carlton biszexuális, ezt a 2010-es Nashville Pride közben fedte fel. 2013. december 27-én házasodott össze John McCauley-val.[12]Stevie Nicks adta össze őket.[13] 2015. január 13-án megszületett Vanessa és férje közös gyermeke, Sidney.[14]